Xenobiotic metabolism by cytochrome P450 2C9 mutants

Tomáš MEDEK

Bachelor's thesis

Abstract:

Cytochrom P450 2C9 (CYP2C9) je významný enzym katalyzující biotransformaci řady léčiv, jako například antikoagulantu (S)-warfarinu a jeho enanciomeru (R)-warfarinu a nesteroidních protizánětlivých léků (S)-flurbiprofenu a diklofenaku. Různé allely CYP2C9 se liší svou metabolickou aktivitou, v některých případech dokonce bez zjevného důvodu (např. bodová mutace I359L mimo aktivní místo). V této práci se snažíme objasnit rozdíly metabolické aktivity vybraných mutantů CYP2C9 pomocí nástrojů molekulárního modelování. Struktury nativní formy (wt) CYP2C9 a jeho pěti mutantů I359L, F476L, F114L, F114W a R97F byly připraveny z krystalové struktury. Léčiva vybraná rozsáhlou literární rešerší byla nadokována do rigidních snímků získaných z trajektorií 100ns dlouhých molekulárně dynamických simulací pomocí programu AutoDock Vina. Nejkratší vzdálenosti od nadokovaného ligandu k hemovému železu byly u wt formy od 2,9 A do 3,6 A. Oproti tomu nejkratší vzdálenosti z dokování do struktur mutantů byly většinou delší až po 6,3 A. Klinicky významný pokles *3 alely (I359L) se zdá být způsoben zmenšením kavity v aktivním místě vlivem aminokyselin L361 a L362. Změny v aktivitách mutantů F114 a F476 se zdají být rovněž způsobeny změnami architektury aktivního místa, protože mutované aminokyseliny mění pozici, orientaci a funkci původních aminokyselin. Zásadní význam R97 při vazbě hemu vodíkovými vazbami byl potvrzen a struktury s mutací R97F se ukázaly jako nestabilní. Prokázali jsme, že molekulární modelování je schopno vysvětlit rozdílné aktivity různých variant CYP2C9.

Abstract:

Cytochrome P450 2C9 (CYP2C9) is an important enzyme for biotransformation of various drugs such as anticoagulant (S)-warfarin and its enantiomer (R)-warfarin and NSAIDs (S)-flurbiprofen and diclofenac. Allelic variants of CYP2C9 differ in their metabolic activity in some cases with no obvious reason (eg. I359L point mutation). Here, we try to explain the variability of the CYP2C9 mutants with molecular modelling tools. Structures of wild type (wt) CYP2C9 and its five mutants I359L, F476L, F114L, F114W and R97F were prepared from crystal structure and they were equilibrated with 100ns-long molecular dynamics simulations. Selected drugs identified by extensive literature review were docked into the rigid snapshots acquired from trajectories with AutoDock Vina. The closest distances to heme iron from docking of ligand into wt active site ranged between 2.9 A to 3.6 A. Meanwhile, the closest distances from docking into mutant structures were usually longer up to 6.1 A. Clinically important drop of activity of *3 allele (I359L) seems to be caused by the shrinking of the active site cavity due to the L361 and L362 amino acids. Changes in activity of mutants of F114 and F476 seems to be also caused by the redesign of active site cavity architecture as mutated residues changed the position, orientation and function of original residues. Key role of R97 in hydrogen bonding of heme propionates has been confirmed. We have shown, that the molecular modelling is able to explain the different activity of individual CYP2C9 variants.

Keywords

cytochrom P450, 2C9, in silico, molekulární dynamika, docking

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 12. 5. 2014

Accessible from:: 12. 5. 2014

Thesis defence

• Supervisor: RNDr. Karel Berka, Ph.D.

PALACKÝ UNIVERSITY IN OLOMOUC

Faculty of Science

Bachelor programme / field:
Chemistry / Ecochemistry